基于擴(kuò)展彈性阻抗巖石物理分析技術(shù)在北康盆地含油氣性檢測(cè)中的應(yīng)用

駱帥兵, 張 莉, 趙裕輝, 鄧 煒, 雷振宇, 帥慶偉

(1.自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510075；2.英得賽斯科技(北京)有限公司，北京 100000)

0 引言

目前國(guó)外油氣公司在北康盆地已有數(shù)口鉆井，且發(fā)現(xiàn)油氣田。根據(jù)前人對(duì)該盆地的油氣資源評(píng)價(jià)可知，北康盆地具有很好的油氣地質(zhì)條件[1-5]，初步估算該盆地油氣資源潛力巨大。

海上油氣勘探具有高成本、高風(fēng)險(xiǎn)性，因此，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)儲(chǔ)層及含油氣層具有重要的勘探開發(fā)實(shí)際意義。然而，利用地震資料來開展優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)及含油氣性檢測(cè)是一項(xiàng)綜合性強(qiáng)、與實(shí)際資料聯(lián)系緊密的工作[6-7]，隨著地震反演技術(shù)的發(fā)展，加入巖石物性參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與含流體檢測(cè)成為油氣勘探中儲(chǔ)層品質(zhì)及含油氣性判別的主要研究方向。對(duì)此，前人做了各方面大量研究，Zoeppritz提出了反射系數(shù)公式，在此基礎(chǔ)上國(guó)內(nèi)、外眾多學(xué)者提出了其簡(jiǎn)化式[8-9]；Fatti[10-14]提出了利用縱橫波阻抗表示的縱波反射系數(shù)方程，該方程廣泛運(yùn)用于油氣勘探階段；Russell[15-19]基于Gassmann模型提出了反映孔隙流體類型的指示因子，并推導(dǎo)了基于該指示因子的反射系數(shù)方程；Zong等[12-14]基于縱波反射系數(shù)顯示方程，實(shí)施了界面兩側(cè)縱橫波速度、密度等六參數(shù)非線性直接反演；印興耀等[6-7,20]提出了基于流體彈性阻抗方程的孔隙流體參數(shù)疊前反演方法；印興耀等[6-7]提出利用Connolly彈性阻抗方程從三個(gè)角度反演結(jié)果中提取縱、橫波速度和密度參數(shù)的方法，并得到縱、橫波阻抗、拉梅常數(shù)、泊松比等巖性參數(shù)，從而對(duì)地下儲(chǔ)層的分布情況以及含油性做出預(yù)測(cè)[6-7,10-11,13,15-17,20]。在實(shí)際油氣勘探過程中，前人的研究主要基于測(cè)井以及巖石物理進(jìn)行反演預(yù)測(cè)，而對(duì)于無測(cè)井資料的情況，一般采用高精度速度層析獲取低頻模型，由于速度精度有限，難以達(dá)到高精度含油氣性預(yù)測(cè)的要求，或是考慮了不同巖性以及流體的影響，構(gòu)建了虛擬井，虛擬井與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好，可用于AVO反演。但現(xiàn)有的地震反演方法，對(duì)最大地震數(shù)據(jù)入射角以及測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)完備性具有較高要求，因此，筆者采用不同于前人無井反演的研究思路，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地震數(shù)據(jù)與測(cè)井資料均較為匱乏的情況，提出了針對(duì)南海南部北康海域的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與流體檢測(cè)方法。

鑒于常規(guī)方法針對(duì)性不足，儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與流體識(shí)別精度不高的問題，提出利用彈性參數(shù)重構(gòu)的方法，引入彈性參數(shù)旋轉(zhuǎn)角，構(gòu)建了新的儲(chǔ)層與流體指示因子，指示因子對(duì)測(cè)井以及地震數(shù)據(jù)的依賴度較低，測(cè)井資料分析表明本文構(gòu)建的指示因子，可以較好地區(qū)分有利儲(chǔ)層與含油氣層。結(jié)合地震反演開展南海北康海域儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與含油氣性檢測(cè)，實(shí)際數(shù)據(jù)反演檢測(cè)結(jié)果與鉆井結(jié)果吻合，表明提出的方法具有一定的實(shí)用性。該方法首次在北康盆地應(yīng)用，有望對(duì)以后南海南部油氣預(yù)測(cè)起到一定的幫助。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of study area

北康盆地位于南海南部的南沙地塊上，屬于南沙中部海域，北以斷裂帶、低隆起以及3 000 m等厚線與南薇西、南薇東盆地相隔，西南以廷賈斷裂與曾母盆地相鄰，東部以南沙海槽西北緣斷裂為界[21-24]。盆地總面積約63 000 km2，主體位于1 000 m水深范圍內(nèi)(圖1)，盆地基底為前新生代變質(zhì)巖及酸性-基性火成巖，沉積了始新統(tǒng)以來的所有地層，最大沉積厚度超過12 000 m，是南沙中部海域具有良好油氣潛力的新生代沉積盆地[22]。盆地形成至今，隨南沙地塊經(jīng)歷了從華南陸緣裂離、漂移以及與曾母地塊拼接的過程，其中形成的T3界面為早中新世和中中新世的分界，是全區(qū)特征最為明顯的不整合界面，響應(yīng)于南沙運(yùn)動(dòng)，為南沙地塊與婆羅洲地塊碰撞作用的結(jié)果[25-27]。T3界面之下晚漸新世-早中新世時(shí)，盆地整體處于淺海-半深海的環(huán)境，由于婆羅洲提供充足的沉積物源以及受海平面升降影響，盆地內(nèi)發(fā)育多套縱向疊置的三角洲-深水扇砂巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)層厚度大，分布范圍廣，部分受海水沖刷作用，具有較高的孔滲性。該時(shí)期所發(fā)育的砂巖儲(chǔ)層是盆地油氣勘探的主要目的層[22,25-27]。

2 理論與方法

2.1 基礎(chǔ)反演算法

不同的巖石具有不同的物理性質(zhì)，該性質(zhì)與地震響應(yīng)有著直接的關(guān)系，巖石物理分析是連接地震特征與巖石物性之間的有效橋梁。利用多種測(cè)井曲線和彈性參數(shù)繪制交會(huì)圖量版，可以優(yōu)選出對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層、含油氣層敏感的彈性參數(shù)關(guān)系。

通過疊前同步反演[28-31]，獲得縱波阻抗(Zp)、橫波阻抗(Zs)和密度(Den)三維數(shù)據(jù)體，根據(jù)彈性參數(shù)之間的相互關(guān)系(廣義胡克定律)和巖石物理分析成果，計(jì)算出泊松比、剪切模量、指示因子等眾多巖性物性流體敏感彈性參數(shù)，形成巖性數(shù)據(jù)體、流體數(shù)據(jù)體。

疊前同步反演是從疊前CRP道集中同時(shí)反演出縱波阻抗(Zp)、橫波阻抗(Zs)和密度(Den)，是目前應(yīng)用效果最好的疊前波阻抗反演技術(shù)。

Aki-Richards方程可以寫成Fatti方程[10，13-14]的形式：

RPP(θ)=c1RP+c2RS+c3RD

(1)

Δρ=ρ2-ρ1；ΔVP=VP2-VP1；

其中：ρ1、ρ2、VP1、VP2、VS1、VS2分別為上下界面的密度(Den)、縱、橫波速度，該方程存在一個(gè)很大的問題，就是這些系數(shù)在數(shù)量級(jí)上是不同的，這導(dǎo)致了在小角度時(shí)求解RS和RD不穩(wěn)定。

由于ZP、ZS和ρ三者之間存在著相關(guān)性[8-9,15-19]，因此利用這種關(guān)系消除上述問題。在背景為含水巖層的情況下，有如下趨勢(shì)關(guān)系：

ln(ZS)=ln(ZP)+ln(γ)

(2)

(3)

由上述關(guān)系，可以得到更一般的背景趨勢(shì)關(guān)系：

ln(ZS)=kln(ZP)+kC+ΔLS

(4)

ln(ρ)=mln(ZP)+mC+ΔLD

(5)

這樣Fatti方程可以寫成如下形式：

(6)

該方程比原來的Fatti方程有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)各變量之間不關(guān)聯(lián)。

2)建立了含水巖層背景下各變量之間的區(qū)域巖石物理特征關(guān)系。

對(duì)變量ΔLS和ΔLD應(yīng)用預(yù)白化處理，來控制反演的噪音水平。在實(shí)際處理過程中，不同子波可均衡不同角度部分疊加數(shù)據(jù)體之間振幅、頻率和相位差異，使反演結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2.2 指示因子構(gòu)建

Goodway[32]研究得出，一些常用的彈性參數(shù)(如體積模量、剪切模量和拉梅常數(shù))的相對(duì)變化可以用A與B的組合公式進(jìn)行估計(jì)，從而用于區(qū)分巖性或流體。Whitcombe[33]指出不同彈性參數(shù)的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)可以得到與流體高度相關(guān)參數(shù)，其對(duì)應(yīng)的屬性能夠很好地?cái)M合拉梅常數(shù)、體積模量等巖石彈性參數(shù)或者泥質(zhì)含量、孔隙度等儲(chǔ)層物性參數(shù)。Connolly[34]同樣指出，利用縱波阻抗(AI)，橫波阻抗(SI)替代logAI和logGI，也一樣可以擬合不同的彈性參數(shù),且相關(guān)性接近為1。

在常規(guī)方法僅使用縱橫波阻抗(Zp、Zs)組合的基礎(chǔ)上，我們引入旋轉(zhuǎn)角度的概念，構(gòu)建了新的指示因子，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Y=Zp*cos(θ)+Zs*sin(θ)。

研究發(fā)現(xiàn)，新的指示因子隨著θ角度的改變而變化，且在不同的角度上可以與傳統(tǒng)的儲(chǔ)層或彈性參數(shù)均有較高的相關(guān)性(圖2)。換言之，常規(guī)的彈性參數(shù)均可以看作縱波阻抗(Zp)和橫波阻抗(Zs)經(jīng)過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的結(jié)果，只是不同的參數(shù)所旋轉(zhuǎn)的角度不同，以致區(qū)分巖性、物性或流體的能力也不同。

圖2 縱橫波阻抗與目標(biāo)曲線相關(guān)方法Fig.2 Method of correlation between impedance of P-and S-wave and target curve

圖3 Mulu-1井測(cè)井曲線序列和Mulu-1井?dāng)?shù)字化測(cè)井曲線Fig.3 Logging sequence of well Mulu-1 and digital logging of well Mulu-1(a)Mulu-1井測(cè)井曲線序列;(b)Mulu-1井?dāng)?shù)字化測(cè)井曲線

圖4 Mulu-1井巖性指示因子-橫波阻抗-泥質(zhì)含量交會(huì)圖巖性指示因子最大相關(guān)角Fig.4 Crossplot of lithology indicator-S-wave impedance-mud content in Mulu-1 well and maximum correlation angle of lithology indicator factor(a)Mulu-1井LI-Zs-Vsh交會(huì)圖;(b)巖性指示因子最大相關(guān)角

由以上方法通過計(jì)算不同的角度與目標(biāo)相關(guān)線的最大相關(guān)角，由此相關(guān)角可以得到巖性指示因子，利用自然伽瑪或者泥質(zhì)含量計(jì)算出的最大相關(guān)角度，可以較好區(qū)分砂泥巖巖性。利用流體替換對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行巖石物理分析，確定流體指示因子在研究區(qū)內(nèi)的敏感彈性參數(shù)，為識(shí)別儲(chǔ)層的流體性質(zhì)提供理論基礎(chǔ)。

3 實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用

通過收集國(guó)外公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料，在研究區(qū)內(nèi)存在Mulu-1井和Talang-1井，Mulu-1井儲(chǔ)層品質(zhì)一般，僅具有少量氣顯[35]；Talang-1井儲(chǔ)層品質(zhì)較好，且發(fā)現(xiàn)油氣。首先以Mulu-1井為應(yīng)用模型，分析指示因子在研究區(qū)內(nèi)是否能起到評(píng)價(jià)儲(chǔ)層巖性及流體性質(zhì)的作用，而后在Talang-1井處進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。

3.1 Mulu-1井處的應(yīng)用模型分析

通過Mulu-1井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，可以得到橫波速度、密度、泥質(zhì)含量和孔隙度(圖3)。經(jīng)過巖石物理分析認(rèn)為，該井位處的泥巖具有低速、低密、低電阻率的特征，砂巖具有高速、較高密度、高電阻率的測(cè)井響應(yīng)特征。

根據(jù)Mulu-1井測(cè)井資料，編制巖性指示因子-橫波阻抗-泥質(zhì)含量交會(huì)圖(圖4)，圖版以泥質(zhì)含量為色標(biāo)，紅、黃色為砂巖。由圖4可以看出巖性指示因子是指示巖性的有效參數(shù)，砂巖的巖性指示因子為低值，泥巖為高值。

根據(jù)巖石物理分析結(jié)果，巖性指示因子對(duì)砂泥巖巖性敏感，砂巖越純，指示因子數(shù)值越低。根據(jù)性指示因子剖面，可以直接將地震剖面轉(zhuǎn)化為巖性剖面，直觀地反映砂泥巖(圖5)。

圖5 過Mulu-1井的地震測(cè)線巖性指示因子(LI)剖面Fig.5 Lithological indicator factor (LI) profile of seismic line passing through well Mulu-1

圖6 Mulu-1井流體指示因子-縱橫波速度比-含水飽各度交會(huì)圖和流體指示因子最大相關(guān)角Fig.6 Crossplot of fluid indicator-P- and S-wave velocity ratio-water saturation in Mulu-1 well and maximum correlation angle of fluid indicator factor(a)Mulu-1井流體指示因子-縱橫波速度比-含水飽各度交會(huì)圖;(b)流體指示因子最大相關(guān)角

圖7 Mulu-1井流體指示因子-拉梅系數(shù)-含水飽各度交會(huì)圖和流體指示因子最大相關(guān)角Fig.7 Crossplot of fluid indicator-lame coefficient-water saturation in Mulu-1 well and maximum correlation angle of fluid indicator factor(a)Mulu-1井流體指示因子-拉梅系數(shù)-含水飽各度交會(huì)圖;(b)流體指示因子最大相關(guān)角

圖8 過Mulu-1井的地震測(cè)線流體指示因子(FI)剖面Fig.8 Fluid indicator (FI) profile of seismic line passing through well Mulu-1

圖9 過Talang-1井的地震測(cè)線巖性指示因子(LI)剖面和流體指示因子(FI)剖面Fig.9 Lithological indicator factor (LI) profile and fluid indicator (FI) profile of seismic line passing through well Talang-1(a)過Talang-1井的地震測(cè)線巖性指示因子(LI)剖面;(b)流體指示因子(FI)剖面

將Mulu-1井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行流體替換后，可得出不同彈性參數(shù)(縱橫波速度比和拉梅系數(shù))與流體指示因子之間的關(guān)系(圖6、圖7)，流體指示因子是識(shí)別儲(chǔ)層所含流體性質(zhì)的最敏感參數(shù)，縱橫波速比(Vp/Vs)次之，拉梅常數(shù)(λ)不敏感。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為302° 時(shí)，流體指示因子檢測(cè)流體能力最強(qiáng)，相關(guān)度達(dá)0.62。

通過Mulu-1井的流體指示因子剖面可以看出，在T3層位附近的含水飽和度曲線與反演結(jié)果吻合較好(圖8)。說明在研究區(qū)內(nèi)流體指示因子具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3.2 Talang-1井處的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證

圖9為Talang-1井處的巖性指示因子及流體指示因子剖面。由圖9可以看出，巖性指示因子剖面與鉆井結(jié)果吻合度較高，能夠較好分辨砂泥巖層，通過流體指示因子剖面可以直觀地反應(yīng)儲(chǔ)層的含油氣異常，且與實(shí)際測(cè)井結(jié)果吻合。

4 結(jié)論

1)通過旋轉(zhuǎn)彈性參數(shù)，重構(gòu)了巖性指示因子與含油氣性指示因子，較常規(guī)參數(shù)有更高的敏感性，可以有效區(qū)分北康海域優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層與含油氣層。

2)利用去相關(guān)性后的Fatti公式進(jìn)行反演，獲取了巖性指示因子與含油氣性指示因子，實(shí)際資料應(yīng)用表明，利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)得出的指示因子，能夠較好地反應(yīng)研究區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層品質(zhì)與含油氣性，且在Talang-1井處得到的反演結(jié)果與鉆井結(jié)果吻合。

3)本方法適用于地震數(shù)據(jù)以及測(cè)井資料匱乏的區(qū)域，且提出的技術(shù)流程與方法可以有效地識(shí)別儲(chǔ)層與含油氣層，在南海南部油氣勘探開發(fā)上具有一定的工業(yè)生產(chǎn)價(jià)值。